Industrial Ecology Projekt Energy for future mobility | Arbeitsgruppe Energiespeicher Batterie

1. Industrial Ecology Projekt Energy for future mobility | ArbeitsgruppeEnergiespeicherBatterie 15.11.2011 | Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard

2. 2 4 1 • Projektdefinition Wertschöpfungskette Li-Ionen-Batterie • Projektplan 3 5 • Energiespeicherkonzept Batterie • Weiteres Vorgehen Agenda

3. Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Projektplan

4. Projektdefinition Projektplan Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Motivation • Das Thema Elektromobilität hat in Deutschland deutlich an Fahrt aufgenommen. So sieht die Vision des NPE-Beratungsgremium vor, in gemeinsamer Anstrengung das Ziel von einer Million Fahrzeugen in einem Leitmarkt Deutschland bis 2020 zu erreichen. • Viele fragen sich nun, wo das Hindernis für die Elektromobilität liegt und warum es noch so wenig marktreife Produkte gibt. • Und auch die Antwort ist vielen klar: Erkenntnis • Es liegt am • Energiespeicher Batterie.

5. Projektdefinition Projektplan Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Motivation Sie stellt den Hauptkostenfaktor eines E-Cars dar und ist (noch) vergleichsweise teuer. Es besteht Forschungsbedarf bezüglich ihrer Energiedichte, Lebensdauer und Ladezeiten. Problem 1: Kosten Problem 3: Reichweite & Performance Hindernis Energiespeicher Batterie Sie sind zu schwer und brauchen zu viel Platz, was sich auf den Energieverbrauch auswirkt. Sicherheitsaspekte: Es besteht u. A. die Gefahr von Brand, Explosionen, Verpuffungen Problem 2: Gewicht Problem 4: Sicherheit

6. Projektdefinition Projektplan Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Problemstellung Schlüsseltechnologie Batterie? Umweltaspekt? • Wesentliche Parameter? • Gebräuchliche Batteriesysteme auf dem Markt? • Potentiale für Einführung und Marktdurchbruch? • Komplementär- und Konkurrenz-technologien? • Umweltbelastung durch Herstellung, Nutzung und Entsorgung? • Auswirkungen auf Umwelt-freundlichkeit des E-Cars? Leitmarkt und -anbieter Deutschland? Wertschöpfungskette? • Standpunkt Deutschland im internationalen Vergleich? • Strategien und anvisierte Ziele der deutschen Industrie? • Attraktivität und Akzeptanz der Gesellschaft? • Rohstoffe und Materialien? • Erfolgsversprechende Zellmaterialen? • Zellstruktur und wesentliche Komponenten? • Produktionstechnologien?

7. Projektdefinition Fokus Projektplan Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen • Methodik und Vorgehensweise • Ziel • Wir werden • dem Leser einen kompakten Überblick über E-Car Batteriesysteme von Heute und von Morgen verschaffen • einen Vergleich dieser Systeme bieten • die Li-Ionen-Batterie vorstellen und als Schwerpunkt dieser Arbeit begründen • Vorgehen • Technologiefeldanalyse • Publikationsrecherchen • Ziel • Wir werden • den Standpunkt der deutschen Industrie bezüglich der Li-Ion-Technologie erörtern • dem Leser Strategien, anvisierte Ziele und Best Practices der deutschen Industrie vorstellen • wesentliche Bedingungen für entsprechende Attraktivität und Akzeptanz in der Gesellschaft herausarbeiten • Vorgehen • (voraussichtl.) Experteninterview Firma Manz Reutlingen • Publikationsrecherchen Schwerpunkt 1 Schwerpunkt 2 Schwerpunkt 3 • Ziel • Wir werden • dem Leser die WSK der Li-Ion-Batterie vorstellen • Rohstoffe und Materialien erfassen • Produktionstechnologien vorstellen • die WSK in Hinblick auf ökologische Gesichtspunkte unter die Lupe nehmen (auch kritisch) • den Umweltaspekt des Li-Ion-Akkus zum Gesamtkontext E-Car setzen • Vorgehen • Publikationsrecherchen Schlüsseltechnologie Batterie WSK und Umweltaspekt Li-Ion-Batterie Leitmarkt und –anbieter Deutschland

8. Projektdefinition Projektplan Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen • Zielsetzung Wir werden die SWOT‘s der Li-Ion-Batterie als Schlüssel-technologie der Elektromobilität zusammenfassen. SWOT-Matrix Wir werden anhand der SWOT- Matrix sowohl eigene als auch Handlungs-empfehlungen von Experten für die deutsche Industrie präsentieren. Empfehlungen

9. Batterie-Technologie Anforderungen für Verwendung in Kfz • elektrische Spannung (Volt) • Zyklenfestigkeit • Leistungsdichte (200; 400 W/kg) • Energiedichte (100; 160 Wh/kg) • Umweltverträglichkeit • Sicherheit • Langzeitspeicherfähigkeit • Memory-Effekt • Ladedauer • Kosten (500-600 €/kWh) • Dimensionen (Abmessungen/Gewicht) (250kg) • Tieftemperaturverhalten Projektplan Projektdefinition WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Batterietechnologien (Quelle: Brauner and Leitinger, 2008; Pfaffenbichler, 2009)

10. Batterie-Technologie Fokus  û Projektplan Projektdefinition WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen GebräuchlicheBatteriesysteme (Quelle: http://www.buerger-fuer-technik.de/body_lithium-ionen-akkus_fur_pkw.html)

11. Batterie-Technologie Projektplan Projektdefinition WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Entwicklungen Li-Ion-Technologie Lithium-Polymer Lithium-Eisen-Phosphat • MIT forscht an Batterie, die extrem schnell Energie aufnehmen kann und im Einsatz für Elektrofahrzeuge in wenigen Minuten aufladbar sein soll • Marktreife 2012 • sicherheitstechnisch unproblematisch • preislich unter Li-Ionen-Batterie • Elektrolyt auf Polymerbasis in Form einer gelartigen Folie • relativ preiswert, erreichen höhere Energiedichten als Li-Ion-Batterien, • allerdings elektrisch und thermisch empfindlich  Zellschaden bzw. Defekt Lithium-Titan Lithium-Luft • Entwicklung durch das IBM Almaden Research Center, in der Kathode durch Luft ersetzt wird • IBM geht von einer Energiedichte von etwa 1000 Wh/kg aus, nahezu dem zehnfachen der Energiedichte der heute käuflichen Li-Ion-Akkus • Vorteile sind hohe Zyklenfestigkeit (laut Hersteller Lebensdauer von 12 Jahren bzw. 20.000 Ladezyklen) • Schnellladefähigkeit und geringe thermische Anfälligkeit • ein Drittel geringere Energiedichte und dadurch höheres Gewicht

12. Batterie-Technologie Projektplan Projektdefinition WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Problembereiche Li-Ion-Akku USABC = U.S. AdvancedBatteryConsortium (Ford, Chrysler, GM) (Quelle: http://www.klimafonds.gv.at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected1.pdf)

13. Batterie-Technologie Projektplan Projektdefinition WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Kostenfaktor Li-Ion-Akku • Berechnet man die Wirtschaftlichkeit aus dem Faktor Kosten und Lebenserwartung für EF, kommt man im Jahre 2011 noch auf 10 – 20 € pro 100 Kilometer + Ladekosten • Kosten / kWhbei Li-Ion-Akkus liegen im Jahr 2011 noch bei ca. 500 - 600 € • Erkenntnis: reines Elektroauto zum heutigen Zeitpunkt wirtschaftlich noch uneffektiv • Experten sagen für 2020 voraus, dass durch höhere Stückzahlen und bessere Technologien der Preis / kWhauf ungefähr 200-250 € sinken wird Li-Ion NiMh NiCd Li-Ion-Batteriekosten im Vergleich zu NiMH und NiCd seit 1999 (Quelle: http://www.klimafonds.gv.at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected1.pdf)

14. Batterie-Technologie Projektplan Projektdefinition WSK Li-Ionen-Akku WeiteresVorgehen Leistungs- und Energiedichte • Aufgrund der geforderten Energie- und Leistungsdichte liegt das größte Potential für reine Elektrofahrzeuge derzeit bei Li-Ionen Batterien • Tiefentladezyklen in der Größenordnung von 1.000 bis 3.000 • Energiedichte von 90 bis 118 Wh/kg und Leistungsdichten von 210 bis 912 W/kg Ragone-Diagramm, Spezifische Leistungs- und Energiedichten unterschiedlicher Batterietypen (Quelle: Saft Batteries / Johnson Controls, wiedergegeben in Brauner and Leitinger, 2008)

15. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen Wertschöpfungskette Li-Ionen-Akku (Quelle: www.mein-elektroauto.com) (Quelle: www.magazine.merck.de)

16. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen (Quelle: JoanneumResarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S.7)

17. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen Anode [kg] Kathode (Quelle: JoanneumResarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S.8)

18. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen [%] (Quelle: JoanneumResarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S.9)

19. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen (Quelle: http://www.klimafonds.gv.at) (Quelle: http://www.flickr.com)

20. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen (Quelle: www.blog.betterplace.com)

21. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen (Quelle: Roland Berger)

22. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen Kosten für Li-Ion-Batterien: 600-700 €/kWh (Quelle: Roland Berger)

23. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen Produktion Lithium-Ionen-Zelle Mischung der chemischen Komponenten der Elektroden-beschichtung (Slurry) Auftragen des Slurry auf die Elektrodenfolien Sicherstellen der einheitlichen Slurry- Schichtdicke Ausschneiden der beschichteten Elektrodenblätter aus der Folie Herausforderungen • Sicherstellung • gleichbleibender • Qualität • Erhöhung der • Produktivität • Lösungsmittelfreiheit • Doppelseitige • Beschichtung • Gleichmäßigkeit • Sicherstellung • Präzision • Erhöhung • Geschwindigkeit • Gratfreiheit • Erhöhung • Geschwindigkeit Quelle: Roland Berger

24. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen Produktion Lithium-Ionen-Zelle Trocknen des Slurry, Entzug des Lösungsmittels Stapeln der Elektroden und Separatorschichten zur Zelle. Folieren der Elektroden Befüllen der Zellpakete mit Elektrolyt. Versiegeln der befüllten Zelle Formierung der neuen Zelle (erstmaliger Anschluss an eine Stromquelle). Abschlusskontrolle Herausforderungen • Energieeffizienz • Präzision beim • Stapeln • Erhöhung • Geschwindigkeit • Gleichmäßigkeit • Reduktion • Lagerzeit • Automatisierung Quelle: Roland Berger

25. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen Product Lifecycle Li-Ion-Batterie • Die Reichweite eines Elektro-Kleinwagens wird voraussichtlich im Jahr 2015 bei etwa 150 km liegen (2020 bei etwa 200 km). • 70 Prozent aller Autofahrten liegen in Deutschland unter 17 km • Aufladen der Batterie – Austauschen der Batterie • Schnellladung wird in einer kurzen Zeit mit hohen Stromdichten geladen, der Ladezustand beträgt jedoch nur 75 % und z. T. auch weniger • Mechanische Beschädigung oder elektrische Überlastungen können zu einer Entzündung der organischen Elektrolyte führen (Quellen: VCI; http://www.klimafonds.gv.at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected1.pdf)

26. WSK Li-Ionen-Akku Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WeiteresVorgehen „Es existieren derzeit noch keine ökonomisch und ökologisch tragfähigen Lösungen zur Rückgewinnung von Lithium und anderen Aktivmaterialien, die eine Rückführung als Sekundärrohstoff in die Batterieherstellung im industriellen Maßstab ermöglichen.“ (Quelle: http://www.lithorec.de) (Quelle: http://www.tu-braunschweig.de)

27. WeiteresVorgehen Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Was folgtalsnächstes? • Es müssen weitere Recherchen zur Wertschöpfungskette des E-Car Li-Ionen-Akkus getätigt werden. • Die Wertschöpfungskette muss in Hinblick auf ökologische Gesichtspunkte unter die Lupe genommen werden (auch kritisch). • Der Umweltaspekt des Li-Ion-Akkus muss zum Gesamtkontext des Elektrofahrzeugs gesetzt werden. • Der Standpunkt der deutschen Industrie bezüglich der Li-Ionen-Technologie muss erörtern werden (Kontakt zu Firma Manz). • Strategien und Best Practices der deutschen Industrie müssen aufgezeigt werden. • Die Ergebnisse müssen in einer SWOT-Matrix Li-Ionen-Batterie zusammengefasst werden. • Es müssen Handlungsempfehlungen für den deutschen Markt anhand der SWOT-Matrix vorgestellt werden.

28. Dankeschön.